生物化学

生物化学（Biochemistry）是一门在化学基础上对生物体内的分子结构以及其变化进行研究的自然科学，是生物学与化学的交叉产物。其研究的主要内容是生物体内的多种分子以及在生物体内这些分子的各种化学变化过程（统称代谢）。生物化学与生命科学的其他学科有紧密关系，其中最重要的关系就是细胞生物学，分子生物学以及遗传学和微生物学，生物化学可以说是生物学的中心枢纽学科。

生物化学的学科地位

在普通高等教育和职业教育中，生物化学课程是相当重要的一门专业课或者是专业基础课。在生物学，生物工程，医学，药学以及护理学等专业中会开设生物化学课程，在数学，物理和化学等专业，生物化学课程也可以作为辅修课程或者选修课出现。

生物化学主要研究内容

生物化学主要研究的内容包括多种生物分子的结构性质以及代谢【包括合成代谢（从小分子通过脱水缩合等反应生成生物高聚物的代谢反应，其中包括核酸合成，蛋白质合成以及多糖合成等），分解代谢（从大分子降解生成各种单体或者是小分子有机物的氧化分解）以及转化代谢（如通过转氨基作用从糖生成氨基酸）】，这些生物分子包括氨基酸，多肽，蛋白质，糖类，脂质，核苷酸，核酸，酶，辅酶以及维生素等生物大分子以及小分子。所有生物都需要（摄入或者自行合成）适量的以上各种分子以维持正常的包括正常的代谢，生长以及繁殖在内的生命活动。

生物化学研究对象

结构生物化学

蛋白质及其单体

蛋白质是生命活动的主要承担者，所有生命活动均需要蛋白质参与进行。蛋白质是一种高聚物，在生物体内其单体是α氨基酸（氨基与羧基位于同一个碳原子上）。在生物体内还有β氨基酸以及γ氨基酸等多种氨基酸，这些非α氨基酸通常作为神经递质或者代谢中间产物，不会作为蛋白质单体存在。蛋白质能够行使多种生物学功能，如进行催化作用（酶），传递信息，进行信息识别或者作为生物的结构物质。[[1]]

核酸及其单体

核酸是遗传信息的主要承载体以及传递介质，核酸分为两种，一种是核糖核酸RNA（Ribonucleic Acid），另一种是脱氧核糖核酸DNA(DeoxyriboNucleic Acid)。DNA主要承担细胞内遗传信息的贮存和代际传递功能，RNA主要进行遗传信息的表达传递，其中有3中主要的RNA，分别在遗传信息表达中充当模板作用（mRNA），蛋白质合成过程中作为运转作用（tRNA），以及作为蛋白质合成细胞器的核糖体的一部分（rRNA）。在特殊生物体内还存在苏糖核苷酸，在此不做赘述。核酸的单体是核苷酸，由磷酸基，五碳糖与含氮碱基组成，两种核酸中共同的含氮碱基为腺嘌呤(A)，鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)，在核糖核酸中的特定碱基是尿嘧啶(U)，脱氧核糖核酸中的特有碱基是胸腺嘧啶（T）。核酸的通常用途是进行遗传信息的传递，但是在特定情况中也会作为酶行使催化功能。

糖类（单糖及多糖）

糖类在生物体内通常充当常用能源物质，是生物产能代谢的重要底物。糖类的本质是多羟基的醛或者酮，在特定条件下可发生异构化即结构发生转化。多羟基的醛具有一定的还原性，可将斐林试剂（碱性氢氧化铜悬浊液）或者是银氨溶液（硝酸银溶液中加入过量氨水直至形成的沉淀完全溶解后形成的澄清溶液）还原生成氧化亚铜或者是银单质（即发生银镜反应）。在细胞质基质中分解成丙酮酸之后，丙酮酸进入线粒体内进行三羧酸循环产生大量ATP，而ATP可以水解断裂高能磷酸键释放大量能量，供生命体进行其他代谢活动或者是肌肉运动。在体内单糖充足的情况下，单糖会脱水缩合形成多糖，在植物体内通常是淀粉或者纤维素，在动物体内通常是糖原。糖类也可以通过转氨基作用生成氨基酸或者是其他反应生成脂质等其他生物分子。

脂质

脂质是丙三醇的三高级脂肪酸酯，即丙三醇的三个羟基完全被高级脂肪酸酯化取代形成的酯类化合物。在动物体内通常是饱和脂肪酸酯，在常温下通常呈固态；植物体内的脂肪酸通常是不饱和脂肪酸甚至是多不饱和脂肪酸（即含有多个不饱和键）形成的甘油三酯，常温下通常呈液态。

维生素及辅酶

酶是生物体内的催化剂，能够催化生物体内需要的一切化学反应，通常情况下，除核酸合成之外的所有酶都是蛋白质。在一些特殊的酶中，需要结合小分子对酶的结构进行完整化，这种小分子被称为辅酶。通常情况下作为辅酶的分子有维生素等。

激素与神经递质

激素和神经递质在生物体内的作用主要是传导各种生物学信号。激素通常情况下由内分泌系统进行分泌，之后通过血液或者其他体液进行传导，之后在与受体接触后产生作用，之后分解失活或者与受体解除解除，重新进入血液循环或者进入新的代谢途径。 神经递质中具有代表性的有胆碱，内啡肽，脑啡肽等多种物质，这些神经递质通常是小分子物质，主要有生物碱和小肽类物质。 激素包含小分子和大分子激素，小分子激素中有甾体激素（环戊烷并多氢菲及其衍生物，如雌激素孕激素等），氨基酸衍生物（典例：甲状腺激素）等。

代谢生物化学

代谢生物化学通常研究的是生物体内各种物质的合成，分解以及转化，以及代谢过程的调节作用。其代谢过程分为多种形式，相同生物在不同条件下对同一底物也有不同途径进行代谢，产生不同的最终产物。如在有氧条件下，人类对葡萄糖会进行有氧代谢，先在细胞质基质中经过磷酸化之后分解成丙酮酸，之后丙酮酸进入线粒体中进行柠檬酸循环（TCA循环）之后生成最终产物（水和二氧化碳）最终排出体外，并且生成大量ATP（三磷酸腺苷，细胞内的直接能源物质）。在缺氧条件下，人体会将葡萄糖部分分解成乳酸并且生成少量ATP以供其他代谢需要；而其他生物如酵母菌在缺氧条件下会将葡萄糖分解生成乙醇和二氧化碳，同样会生成少量ATP。 当生物体内营养物质富足时，会将多余的葡萄糖等单糖进行聚合，最终生成多糖甚至脂质进行贮存，以供营养物质不足时分解利用。在极度贫乏时期，甚至会将蛋白质或者脂质进行转化生成糖类，这个过程称为糖异生，在通常条件下不会发生，只会发生在极端恶劣的条件下。 代谢生物化学还关注一些功能性生物大分子的合成，如蛋白质与核酸的生物合成。由于蛋白质与核酸在生物体内具有极其重要的核心作用，所以生物化学和分子生物学对这两种物质的合成以及分解给予了重点关注。由于篇幅限制，将在后续具体内容中进行详细阐述。

生物化学发展史

现代生物化学从20世纪开始发展，由于医药领域的发展导致生物学领域进一步进行发展，在医药领域中对多种生物物质进行分离纯化出现了生物化学的最初形式。这一段时间是1770-1900，这段时间生物化学的主要研究成果是对生物体内的多种有机小分子进行分离提纯，并未研究生物分子的变化规律，所以这段时间的生物化学又被称为静态生物化学。又因为这段时间的生物化学研究主要依赖有机化学研究，所以这个时间段的生物化学又被称为有机生物化学。从1900年到1950年的生物化学主要研究内容是细胞内的各种化学反应，分离了多种结晶酶，发现并且发展了酶动力学，阐明了氧化磷酸化，光合磷酸化，电子传递链，脂肪酸β-氧化，尿素循环等多种途径，提出了柠檬酸循环（TCA循环）等多种代谢途径，所以这个时间段内的生物化学被称为动态生物化学。在之后的生物化学研究中，重点关注的是分子水平的生命活动，在此基础上新建了一门科学，被称为分子生物学，后续将有新的词条对此进行讲解，在此不进行赘述。

参考资料

1. 朱圣庚，徐长法《生物化学》（第四版，上册，高等教育出版社，2017）